二.PCIe 背景知识

叫俺一声靓仔ha

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分类专栏： PCIe自学笔记文章标签：自学笔记 PCIe fpga开发

于 2025-05-15 10:27:38 首次发布

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1.PCIe前身-PCI

PCI总线与PCIe总线最大的区别就是，PCI总线上的设备共享总线带宽，这意味着当总线上的设备数量很多时，可能会等待总线资源释放。而PCIe总线是点对点传输，每个设备都有自己专用的总线。

PCIe最重要的设计目的之一就是要向前兼容，风险最小、代价最小的方法就是维持软件的灵活性，即针对PCI设备的软件程序依旧可以运行在PCIe设备上。

2.PCIe拓扑结构

之前说过PCIe总线是专用总线，每个设备独占带宽，笔者一开始也很困惑是如何做到的。后来才知道这是因为RC或者Switch设备内部可以看做多个虚拟的PCI to PCI bridge的结构，这样就能拓展出多个总线，且每个总线上只有一个端点设备。

配置软件负责遍历识别每一个Bus、Device、Function，一个PCIe设备可能有多个Function，比如多功能多媒体卡，一个Function负责声音，一个Function负责视频，PCIe设备之间的通信最小单位就是功能。Bus number范围从1-256，Device number从1-32，Function number是1-8。整个枚举遍历的过程采用深度优先，如下图所示。

笔者之前有点想不明白为啥有的总线端点设备的dev number从0开始，比如总线3，而有的总线dev number是从1开始，比如总线8，这是因为PCI to PCI桥连接了两条总线，对于上游总线桥作为该总线上的一个普通设备（Device），占用一个Device号，对于下游总线（如果是PCI总线），桥作为该总线的主控制器（类似Root Port），其逻辑上不属于下游总线的设备列表，但负责管理下游总线。在下级总线（如Bus 1）中，Device 0的位置被隐式保留给PCI桥自身，虽然桥本身不占用下游总线的Device 0编号，但规范约定设备枚举从1开始，以避免冲突。

在整个枚举过程中配置软件还会把Primary Bus、Secondary Bus、Subordinate Bus写入桥设备，Primary Bus代表上游Bus号，Secondary Bus代表下游Bus号，Subordinate Bus代表所有下游总线里Bus号最大的值。完成枚举后的结果如下图所示。

3.地址空间

PCIe设备会被分配到四种地址空间，第一种是Memory Space，也就是我们所说的内存，如果是32位电脑最多能支持4GB的地址空间，64位理论上能够支持到16EB。第二种是I/O Space，这是 x86 体系中的一种独立地址空间（不同于内存），通过 IN/OUT 指令访问，地址范围通常为 16-bit（0x0000~0xFFFF），也就是最多支持64KB，早期 PCI/PCIe 设备使用 I/O Space 访问寄存器（如串口、PS/2 控制器），但现代 PCIe 设备更倾向于使用 MMIO（内存映射IO）的方式，访问速度快得多。第三种是配置空间，PCIe 设备的配置空间（Configuration Space）存储了设备的关键信息（如 Vendor ID、Device ID、BAR、中断设置等），传统 PCI 配置机制是通过读写I/O空间的0XCF8和0XCFC（分别代表配置空间的地址和数据）的方式，现代有的PCIe设备将 PCIe 配置空间映射到 memory space，也就是MMCFG的方式。第四种是message space，它是一种特殊的通信机制，用于在设备之间传递控制和管理信息（如中断、电源管理、错误报告等），替代传统 PCI 的边带信号，减少了对引脚的依赖。

对于PCI 设备，每个Function占用的大小是256B，所以总的配置空间大小为，256Bus x 32 Device x 8 Funtion x 256B = 16MB，而PCIe设备，每个Function占用的大小是4KB，所以总的配置空间大小为256MB。

4.配置空间详解

配置空间的前256Byte，是PCI和PCIe设备都必须有的，这也是为什么PCIe能够向前兼容PCI。配置空间的地址划分如下图所示，前 64 字节是PCI Config Header，是设备初始化和管理的核心数据结构。040-100h这部分描述了设备的能力结构，用于扩展设备的高级功能（如 MSI/MSI-X、电源管理、PCIe 高级特性等）。0x100-0xFFF 的区域属于 PCIe 扩展配置空间，仅 PCIe 设备支持。

对于Header又分为两类，Type 0 配置头用于标识 Endpoint（端点设备），Type 1 配置头用于标识桥设备（Bridge），如下图所示，橙色代表了相同的部分，绿色代表不同部分。

Vendor ID：代表了厂商ID，如 0x8086=Intel，0x10DE=NVIDIA，可以向PCI-SIG协会申请。

Device ID：由厂商自己定义，例如43A0 对应 NVIDIA GeForce GTX 1650显卡。

Revision ID：设备修订版本号。

Class Code：设备类别，表示该设备是显卡、网卡或者存储控制器等，比如0x030000代表VGA 显卡。

Command：控制设备行为，如启用内存访问，只能由Host来控制。

Status：描述设备状态，如是否支持 64 位寻址，是否触发中断。

Capabilities Pointer：一个指针指向了Capabilities存放的地址，Capabilities是以链表的形式保存。

Interrupt Line：传统 INTx 中断的 IRQ 号，由 BIOS 分配。

Interrupt Pin：物理中断引脚，1=INTA#, 2=INTB#, 3=INTC#, 4=INTD#。

Expansion ROM Base Address ：是 PCI/PCIe 设备配置空间中的一个寄存器，用于管理和映射设备的 Option ROM（可选扩展ROM）。它的核心功能是让设备在系统启动时（如 BIOS/UEFI 阶段）加载并执行设备特定的初始化代码。

Base Address Register：用于动态分配设备所需的地址空间用于数据传输（如 DMA、寄存器读写），支持 32 位或 64 位地址，可映射到内存空间（Memory BAR）或 I/O 空间（I/O BAR），每个设备的 BAR 地址由系统统一分配，避免冲突。

该寄存器的低位决定了BAR的类型，bit0决定了该bar是IO BAR还是Memory BAR，若是memory BAR，则bit2：1声明了该BAR是32bit寻址还是64bit寻址，bit3声明了是否可预取。

设备会将BAR 寄存器的低位只读字段设置为0，系统软件会向 BAR 写入全 1（即0xFFFF_FFFF），再读回值，通过回读的值计算大小和类型，最后将分配好的基地址写入。一个32bit Memory类型可预取的BAR初始化过程如图所示。如果是64bit的，则会将两个32bit的BAR寄存器合并成一个64bit的，初始化过程一样。Type0可以有6个BAR寄存器，Type1最多只有2个BAR寄存器。

Type1类型的Header里有几个比较重要，Primary Bus number、Secondary Bus number、Subordinate Bus number描述了整个PCIe的拓扑结构。I/O Base/Limit，Memory Base/Limit，Prefetchable Memory Base/Limit 定义了桥设备下游的地址范围，用于管理下游设备（子总线）的地址空间分配和路由，PCI 桥会根据这些寄存器的值决定是否将事务转发到下游总线。下图是一个例子，需要注意的是，对于桥的IO base寄存器，低12bits必须为全0，Memory Base 和 Prefetchable Memory Base的低20bits必须为全0，这也决定了分配空间的最小单位。

从040-100h这部分地址描述了设备的能力结构，是以链表的形式存在，Capabilities Pointer指向了第一个能力的地址，链表形式如下所示，当指向下一个能力的地址为00时，代表当前的能力即为最后一个。

对于PCIe设备，有些Capabilities是必须存在的。

PCI Express Capability：定义其支持的 PCIe 版本、链路宽度、速率，提供链路训练（Link Training）、带宽协商、错误报告等功能。

PCI Power Management Capability：允许设备在空闲时进入低功耗状态（如 D1/D3hot），降低系统能耗。

MSI and/or MSI-X Capability：替代传统 INTx 中断，使用内存写入（Message Signaled Interrupt）代替边带信号，减少延迟和共享中断冲突。另外MSI-X 允许设备为不同事件分配独立的中断。

100h-FFFh空间代表了extended capabilities list，这是PCIe设备独有的部分，也是以链表的形式存在，若指向下一个capability的地址值为0，代表当前是最后一个。和Capabilities List的区别是，第一个capability默认从100h开始，如果100h读回为全0，则代表没有extended部分。